Определение твердости металлов методами бринелля и роквелла. Определение твердости металлов

Методы измерения твердости металлов. Одним из широко распространенных видов испытания металлов является определение твердости. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами.

Прямые методы испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамиду). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.

При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.

Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму - методом ударного вдавливания.

В зависимости от характера и способа приложения нагрузки твердость косвенно характеризует различные механические свойства металлов. Если наконечник вдавливается в образец, то твердость характеризует сопротивление пластической деформации. Если наконечник царапает об-

разец, то твердость характеризует сопротивление разрушению. Твердость, определенная по отскоку наконечника, характеризует упругие свойства металла образца.

По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная вдавливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.

Метод измерения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.

Твердость определяют на специальных приборах - твердомерах.

Твердомеры бывают стационарные и переносные. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одинаково.

Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик, наконечник (узел, состоящий из оправки и индентора), нагружающее устройство, прибор для измерения величины деформации.

Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на рабочем столике, с помощью нагружающего устройства в образец вдавливают индентор и после снятия нагрузки определяют твердость.

В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, размер и материал индентора, величину и длительность приложения нагрузки.

Наиболее часто проводят определение твердости следующими методами: измерение твердости по Бринеллю - по ГОСТ 9012 - 59; измерение твердости по Роквеллу - по ГОСТ 9013 - 54; измерение твердости по Виккерсу - по ГОСТ 2999 - 75; изменение твердости методом ударного отпечатка - по ГОСТ 18661 - 73; измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников - по ГОСТ 9450 - 76.

Существуют общие требования к подготовке образцов и проведению испытаний:

1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.

2. Поверхность образца должна быть чистой, без окислых пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.

3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.

4. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.

5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно к поверхности образца.

6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.

Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик (рис. 5). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.

Рис. 5. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом Бринелля

Чтобы определить число твердости НВ (МПа или кгс/мм 2), надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F :

где D - диаметр шарика, м (или мм);

d - диаметр отпечатка, м (или мм);

Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально cоставленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012- 59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка, по этой таблице можно определить число твердости НВ.

Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твердого сплава диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испытуемого образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика. Обычно испытание проводят на специально подготовленной горизонтальной площадке образца.

Толщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка. Глубину отпечатка определяют пробным испытанием или, если известен уровень твердости, по формуле

где h - глубина отпечатка;

D - диаметр шарика;

НВ - число твердости.

Между временным сопротивлением и числом твердости HB существует следующая зависимость:

Для стали σ в = 0,34 HB;

Для медных сплавов σ в = 0,45 HB;

Для алюминиевых сплавов σ в = 0,35 HB.

Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d ,а между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4d .Диаметр отпечатка d измеряют при помощи лупы или отсчетного микроскопа (рис. 6) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее арифметическое из двух определений.

В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 15,6 до 3000 кгс. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: P = 2,5D 2 , Р = 10D 2 , P = = 30D 2 .

Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.

При выборе диаметра шарика D ,нагрузки Р , продолжительности выдержки под нагрузкой t и минимальной толщины образца руководствуются табл. 1.

Запись результатов испытания проводится следующим образом. Если испытание проводится шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой D = 10 с, то записывается число твердости с cимвoлoм НВ. Например, твердость стали 350 НВ. Если условия испытания иные, то это показывается соответствующими индексами. Например, число твердости 230 и испытание проводилось шариком диаметром D = 5,0 мм при нагрузке 750 кгс с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результаты записываются так: НВ 5/750/10/230.

Рис. 6. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Таблица 1

Выбор параметров испытания при определении твердости

методом Бринелля

Министерство по образованию и науке РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Красноярский государственный педагогический университет

им. В.П.Астафьева»

Филиал в г.Железногорске

Кафедра Информатики и Технологии

«Методы определения твёрдости металлов»

Выполнил:

Пирожков В.П.

Проверил:

асс. Елисеев Д.В.

г.Железногоск, 2010 г.

Введение и основные сведения 3

Измерение твёрдости по Бринеллю 7

Измерение твёрдости по Виккерсу 10

Измерение твёрдости по Роквеллу 11

Твёрдость абразивных материалов 12

Контроль твёрдости абразивного инструмента 14

Список используемых источников 15

ВВЕДЕНИЕ и основные сведения

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная - твёрдость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная - измеряется методами вдавливания.

Твёрдость зависит от:

Межатомных расстояний.

Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.

Валентности.

Природы химической связи

От направления (например минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)

Хрупкости и ковкости

Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)

Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)

Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)

Спайности

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока малораспостранено. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B - Бринелль;

Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.

Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

Рис.1 Методы определения твёрдости материала.

а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

Методы Шора:

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) - твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода. В качестве примера, резина в покрышке колеса легкового автомобиля имеет твердость примерно 70A, школьный ластик - примерно 50A;

Твёрдость по Шору (Метод отскока) - метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа - измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H - Hardness, S - Shore и x - латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Аскер («Аскер» - это название японской компании, производящей измерители твердости - дурометры) - твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер С использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) - твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса - определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова - Герберта - Ребиндера - к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.

Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрущающим методам.

Механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями:

Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n = n 1 * n 2 * n 3 ,

где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю степень ответственности проектируемой детали.

Как мы выяснили выше, существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

высокая производительность;

измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение (временное сопротивление).

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.определение сурьмы……………………13 Количественное определение сурьмы…………………17 Методы осаждения... этого, сурьма придаёт типографскому сплаву твёрдость и износостойкость, – весьма важные свойства, если...

Физические основы пластичности и прочности металлов (2)

Реферат >> Физика

... (вязкое) разрушение в результате среза Твердость металлов . Твёрдость металлов не является физической постоянной, а представляет... можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого...

Методы измерения твердости

Реферат >> Промышленность, производство

Производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов : прочности, относительного... деформации. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при... с. При испытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама...

Классификация банковских операций (1)

Задача >> Банковское дело

И применение 4.Что такое твёрдость металла ? Изложите методы определения твёрдости металла по Бринеллю, Роквеллу 5.Углеродистые... легким движением. 4. Что такое твёрдость металла ? Изложите методы определения твёрдости металла по Бринеллю, Роквеллу. Твердость...

На каждой выставке, независимо от места проведения, находится один или несколько посетителей, которые высказывают явное недовольство по поводу недостаточной твердости стали наших ножей. В качестве аргументов они приводят собственное мнение, слова других продавцов («а вот там нам сказали, что у них твердость – 90!»), мнение знакомых и собеседников на форумах. Время от времени встречаются, мягко говоря, оригиналы, заявляющие: «Докажите твердость своих изделий – ударьте сильно друг об друга лезвиями, а который останется без следа, тот нож я куплю!»

Определимся с терминами

Чаще всего, эти господа не представляют, о чем именно они говорят. В частности, плохо представляют значение термина твердость у металлов и сплавов, а также не ориентируются в единицах измерения твердости. Напомним себе и остальным, что такое твердость стали ножа, в чем и как измеряется твердость стали ножа, и на что значение твердости стали ножа влияет.

По данным Википедии, твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади или объему поверхности отпечатка. Различают поверхностную и объемную твердость:

поверхностная твердость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
объемная твердость - отношение нагрузки к объему отпечатка.

Различают также восстановленную и невосстановленную твердость. Восстановленная твердость определяется как отношение нагрузки к площади или объему отпечатка, а невосстановленная твердость определяется как отношение силы сопротивления внедрению более твердого материала к площади или объему внедренной в материал части более твердого тела.

Твердость измеряют в трех диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на внешнее, более твердое тело от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на более твердое тело до 2 Н и глубину внедрения более твердого тела больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения более твердого тела, которая должна быть меньше 0,2 мкм.

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к более твердому телу. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе - indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой более твердого тела (индентора):

для сферического индентора - с увеличением нагрузки твердость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);
для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);
для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

Межатомных расстояний
Координационного числа - чем выше число, тем выше твердость
Валентности
Природы химической связи
От направления (например, минерал дистен - его твердость вдоль кристалла равна 4, а поперек - 7)
Хрупкости и ковкости
Гибкости - минерал легко гнется, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
Спайности

и ряда других физико-механических свойств материала.
Наиболее твердыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твердости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза тверже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твердым из распространенных веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса).

Чем измеряется твердость?

Твердость твердостью, но нам важнее понять, что означают заветные цифры, которые так ценятся любителями ножей! Дело в том, что для определения твердости применяются разные методы измерения. И для каждого метода измерения твердости существует своя шкала измерения твердости.

Методы определения твердости по способу приложения нагрузки делятся на статические и динамические (ударные).

Метод Бринелля - твердость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твердость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части сферы, а не как площадь круга (так измеряется твердость по Мейеру). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твердость, определенная по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твердость, англ.), B - Бринелль;

Метод Роквелла - твердость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твердость, определенная по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твердость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твердость по Роквеллу соответствует HR 100.

Метод Виккерса - твердость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырехгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твердость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба). Твердость, определенная по этому методу, обозначается HV;

Твердость по Шору (Метод вдавливания) - твердость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твердость, определенная по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

Дюрометры и шкалы Аскер - по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и национальная японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

Отличие от традиционного твердомера - электронный экран динамометра

Твердость по Шору (Метод отскока) - метод определения твердости очень твердых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боек (основная часть склероскопа - измерительного прибора для данного метода), падающий с определенной высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H - Hardness, S - Shore и x - латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Следует понимать, что хотя оба метода Шора являются методами измерения твердости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал, это, все-таки, не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твердость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) - твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса - определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Метод Бухгольца - метод определения твердости при помощи прибора Бухгольца. Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора Бухгольца. Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

Методы измерения твердости делятся на две основные категории: статические методы определения твердости и динамические методы определения твердости. Для инструментального определения твердости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твердости не отражают целиком какого-нибудь одного определенного фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определенных групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твердости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В России стандартизированы не все шкалы твердости. В изготовлении ножей, а также при их продаже, применении и, конечно, в различных обсуждениях используется и, соответственно, чаще всего имеется в виду шкала Роквелла. А именно — HRC.

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Существует целых одиннадцать шкал определения твердости по методу Роквелла, основанных на комбинации «индентор (наконечник) - нагрузка». Наиболее широко используются два типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки - 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала	Индентор
	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закаленной стали)	100 кгс
	Алмазный конус с углом 120 ° при вершине	150 кгс

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0.002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком - 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

H=100-(H-h)/0.002

Разность H − h представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении)

б) при измерени по шкале B (HRB):

H=130-(H-h)/0.002

Связь между результатами проверки на твёрдость и прочностными характеристиками материалов исследовались такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др. Используются методы определения предела текучести по результатам проверки на твёрдость вдавливанием. Такая связь была найдена, например, для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки. Среднее отклонение для конического алмазного индентора составляло всего +0,9 %. Были проведены исследования по нахождению связи между значениями твёрдости и другими характеристиками, определяемыми при растяжении, как предел прочности (временное сопротивление, сужение в шейке и истинное сопротивление разрушению).

Применительно к твердости сталей, из которых изготавливаются ножи, установлены следующие величины, зависящие также от способа термической обработки:

Марки стали	Термообработка	Твердость (сердцевина-поверхность)
	нормализация	163-192 HB
	улучшение	192-228 HB
	нормализация	179-207 HB
	улучшение	235-262 HB
	закалка и высокий отпуск	212-248 HB
	закалка и высокий отпуск	217-255 HB
	закалка и высокий отпуск	229-269 HB
	закалка и высокий отпуск	269-302 HB
У9	отжиг	192 HB
У9	закалка	50-58 HRC
У10	отжиг	197 HB
У10	закалка	62-63 HRC
40 Х	улучшение	235-262 HB
40 Х		45-50 HRC; 269-302 HB
40 ХН	улучшение	235-262 HB
40 ХН	улучшение+закалка токами высокой частоты	48-53 HRC; 269-302 HB
35 ХМ	улучшение	235-262 HB
35 ХМ	улучшение+закалка токами высокой частоты	48-53 HRC; 269-302 HB
35 Л	нормализация	163-207 HB
40 Л	нормализация	147 HB
40 ГЛ	улучшение	235-262 HB
45 Л	улучшение	207-235 HB

Сравнивая показатели разных шкал разных методов измерения твердости стали, легко можно запутаться. Чтобы этого не случилось, следует знать о таблицах соответствия значений твердости разных шкал. Глядя на нее, становится понятно, откуда могут возникнуть причины заблуждений относительно максимальной твердости стали ножа и нелепые требования предоставить нож твердостью в 90, а то и больше, единиц!

Твердость по Роквеллу			Твердость по Шору	Твердость по Бринелю	Твердость по Виккерсу
HRC	HRB	HRA	HSh	HB	HV
		86.5 86.0 85.5 85.0	102		1076 1004 942 894
		84.5 84.0 83.5 83.0			854 820 789 763
		82.5 81.5 81.0 80.5			739 715 695 675
	<-	80.0 79.5 78.5			655 636 617 598
		78.0 77.5 77.0 76.5			580 562 545 528
		76.0 75.5 74.5 74.0			513 498 485 471
		73.5 73.0		444 437 429 426	458 446
		71.5		415 401 393 388	435 413
				375 372 352 341	393 <- 373
				332 321 312 302	353 334
				297 293 290 283	317 301
				277 270 260 255	285 271
	100			250 248 241 240	257 446
				235 234 230 229	236

На деле же, как видно из таблицы, ножевых сталей с твердостью свыше 70HRC не существует. А на практике не встречается ножей из стали твердостью свыше 65HRC. Самыми распространенными и прекрасно используемыми являются ножи из дамасской стали с твердостью 56-62HRC.

Рабочие ножи компании «Русский булат» изготавливаются в основном из дамасской стали, гарантированно имеющей твердость в этом диапазоне. Заготовки изготавливаются из стали, выкованной в собственной кузне. После завершения процесса производства ножи «Русского булата» выборочно проходят проверку на соответствие заявленным параметрам. В том числе и твердости материала .

При желании Вы можете самостоятельно провести эксперимент по измерению твердости материала, руководствуясь, например, .

Тем же ценителям ножей, которые желают выбирать нож с помощью краш-тестов, рекомендуем попытаться купить себе таким способом автомобиль в автосалоне.

По материалам интернет-ресурсов

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

износостойкость металла;
возможность обработки резанием, шлифованием;
сопротивляемость местному давлению;
способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

вдавливанием;
царапанием;
резанием;
отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

сплавы железа – 30 кгс/мм2;
медь и никель – 10 кгс/мм2;
алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

Н □ 0,195 = 2800, где

□ — форма наконечника;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2),

D – окружность шарика, мм;
d – окружность отпечатка, мм.
Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
сплавы из железа — 30D 2 ;
медь и ее сплавы — 10D 2 ;
баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Определение твердости является одним из распространенных испытаний металлов. Оно отличается простотой техники, быстротой измерений и возможностью проведения их непосредственно на изделии.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на их поверхность специального наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

По способу воздействия индентора на испытуемый материал различают:

* статические методы определения твердости (метод вдавливания и метод царапания);

* динамические методы определения твердости (метод отскока падающего наконечника) и другие методы.

Метод вдавливания характеризует сопротивление металла пластической деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Метод царапания характеризует сопротивление разрушению при воздействии на материал индентора в виде алмазной иглы. Метод отскока падающего наконечника характеризует сопротивление упругой деформации при динамическом воздействии на материал индентора в виде шарика.

Самым распространенным из перечисленных методов является метод вдавливания, который используется в приборах - твердомерах:

Роквелла

Виккерса

приборе для определения микротвердости (ПМТ).

Между твердостью пластичных материалов и другими механическими свойствами существует зависимость. Чем больше твердость металла определяемого вдавливанием, тем выше и его прочность, т.к. оба эти свойства представляют сопротивление пластической деформации. По этой же причине, чем тверже данный металл, тем ниже его пластичность.

Принципиальное устройство перечисленных твердомеров одинаково и может быть рассмотрено на примере прибора Бринеля (рис. 1). Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик для измерения твердости образца или детали, наконечник (индентор), нагружающее устройство и прибор для измерения деформации.

Рисунок 1 – Устройство прибора Бринеля

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ

Измерение твердости по Бринелю производится в соответствии с ГОСТ 9012-59, срок действия которого продлен до настоящего времени.

При измерении твердости по Бринелю стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец или изделие под действием нагрузки P в течение определенного времени. После удаления нагрузки измеряется диаметр d полученного при этом сферического отпечатка (рис. 2.а).

Рисунок 2. Схемы определения твердости:

а- по Бринелю;

Б - по Роквеллу;

в - по Виккерсу

В качестве индентора при работе на приборе Бринеля используют стальной закаленный шарик диаметром d = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм.

Для того, чтобы значения твердости при разных испытаниях были сопоставимы, величину нагрузки при данном диаметре шарика следует выбирать используя соотношение:

(2)

ЗначенияK могут быть равны 30; 15; 10; 5; 2,5; 1 в зависимости от твердости контролируемого материала. Так для черных металлов и их сплавов (железо, сталь) и других высокопрочных материалов K = 30; для алюминия, меди, никеля и их сплавов K = 10; для олова, свинца и сплавов на их основе K = 2,5.

При выборе условий испытания также важно учитывать толщину металла и продолжительность выдержки образца под нагрузкой, в соответствии со стандартами.

Перед началом испытаний выбранный индентор закрепляется в шпинделе твердомера, с помощью сменных грузов устанавливается выбранная нагрузка. Затем, образец подлежащий измерению, устанавливается на столик прибора и столик поднимается вверх, прижимая образец к шарику, пока не загорится сигнальная лампочка. Таким образом на образец подается предварительная нагрузка, которая на приборе Бринеля составляет 100 кгс (981 Н). Затем нажатием кнопки на корпусе прибора включается механизм, который автоматически осуществляет полное нагружение, выдержку образца под нагрузкой и ее снятие.

После этого нужно опустить столик, снять образец, измерить диаметр полученного отпечатка с помощью специального микроскопа (рис. 3) и определить твердость.

Рисунок 3 – Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Твердость, определяемая на приборе Бринеля обозначается HB и определяется как отношение нагрузки, действующей на индентор, к площади поверхности сферического отпечатка F :

А так как площадь сферического отпечатка равна:

(4)

Следовательно значение твердости будет равно:

(5)

Если нагрузка выражена в ньютонах, то значение твердости умножается на коэффициент равный 0,102 .

Таким образом, диаметр отпечатка является критерием твердости по Бринелю.

Обычно вычисления твердости по вышеуказанной формуле не производят, а определяют твердость по таблице, которая приведена в ГОСТ 9012-59 или справочной литературе.

Зная число твердости по Бринелю, можно приближенно оценить временное сопротивление металла разрыву (предел прочности), используя количественное соотношение между этими характеристиками, установленное опытным путем. Например, для углеродистых сталей с твердостью HB от 120 до 175 используется соотношение:

s В = 3,4 HB (6)

Временное сопротивление определяется в МПа (Н/мм 2).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

В ряде случаев определение твердости на приборе Бринеля оказывается невозможным. Нельзя, например, испытывать закаленную сталь, так как, индентор прибора Бринеля также изготовлен из закаленной стали. Нельзя измерять твердость тонких поверхностноупрочненных слоев изделий, подвергнутых химико-термической обработке, и твердость различных поверхностных покрытий.

В этих случаях возможно применение других приборов - Роквелла, Виккерса, ПМТ.

Измерение твердости по Роквеллу проводится в соответствии с ГОСТ 9013-59. При этом индентором может служить алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588мм (1/16 дюйма). При проведении испытаний индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р о и основной:

Р = Р о + Р 1 , (7)

Принципиальное отличие измерения твердости на приборе Роквелла от измерения на приборе Бринеля состоит в том, что твердость определяют не по площади отпечатка, полученного при вдавливании индентора, а по его глубине, которая и является критерием твердости при этом испытании.

Глубину вдавливания h определяют после снятия основной нагрузки и по ее значениям вычисляется величина твердости по Роквеллу HR. Естественно, чем больше глубина полученного отпечатка, тем меньше значение твердости.

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

При испытаниях твердость можно измерять по трем шкалам: А , В , С .

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум шкалам: А и С , при использовании шарика - по шкале В .

Число твердости по Роквеллу вычисляется по формулам:

При измерении по шкалам А и С:

HRC (HRA) = 100 – e (8)

При измерении по шкале В:

HRB = 130 – e (9)

где e = (h - ho) / 0,002 (10)

При выборе условий испытания целесообразно руководствоваться следующими данными (табл. 1):

Таблица 1

Результаты определения твердости фиксируются на индикаторе прибора, где имеются две шкалы - черная ми красная. Черная используется при измерениях с помощью алмазного конуса или конуса таких же размеров, изготовленного из твердого сплава (А и С ). Красная шкала для измерений с помощью шарика (В ).

Испытания проводятся в следующем порядке:

Устанавливается образец на столике прибора; образец приводится в соприкосновение с индентором с помощью механизма подъема и осуществляется предварительное нагружение. При этом индентор вдавливается в поверхность образца на глубину h о . Достижение предварительной нагрузки Р о = 10 кгс (98 Н) отмечается на шкале установкой маленькой стрелки на красной точке. Положение большой стрелки должно при этом совпадать с цифрой “0” черной шкалы. Если этого не произошло необходимо повернуть шкалу маховичком до точного совпадения этой стрелки с указанной отметкой.

Нажать на клавишу механизма нагружения, в результате чего на индентор подается основная нагрузка Р 1 , под действием которой он углубляется в образец. Выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки происходит автоматически. В конечном положении большая стрелка указывает на значение твердости по соответствующей шкале.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы, например: 61,0 HRC; 42,0 HRB.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ И МИКРОТВЕРДОСТИ

В ряде случаев необходимо определить твердость тонких поверхностных слоев или распределение ее по сечению образца. Выполнить эти задачи на приборах Бринеля или Роквелла невозможно из-за больших размеров отпечатков. Для таких измерений используют приборы Виккерса или микротвердости (ПМТ).

В указанных приборах в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида с углами при вершине 136° (рис. 2.в). Число твердости по Виккерсу и микротвердость определяются как отношение действующей нагрузки Р к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

(11)

где d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка.

Для удобства и ускорения вычислений следует пользоваться таблицами, рассчитанными по приведенной формуле.

Испытательные нагрузки при измерениях на приборе Виккерса (ГОСТ 2999 - 75) выбираются в пределах от 5 до 120 кгс (от 49 до 1176 Н). При измерениях микротвердости нагрузки значительно ниже: от 0,005 до 0,5 кгс (от 0,05 до 5 Н). Благодаря этому в последнем случае значительно меньше и размеры полученных отпечатков, что делает возможным определение твердости отдельных структурных составляющих.

Измерение диагоналей полученных отпечатков проводится с помощью микроскопов.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Перед проведением практической части работы необходимо ознакомиться с приборами, на которых предстоит проводить измерения, с техникой измерений и методикой определения результатов.

2. Провести измерение твердости углеродистой отожженной стали (40, 60), дюралюминия и меди на приборе Бринеля. Для этого:

a. Выбрать нагрузку, исходя из данных, приведенных в методических указаниях;

b. Получить отпечаток индентора на перечисленных материалах;

c. При помощи специального микроскопа определить диаметр полученного отпечатка с точностью до сотых долей миллиметра;

d. Используя формулу для определения твердости по Бринелю (5) определить значение твердости испытуемых материалов и занести данные в таблицу 2;

e. При помощи таблиц проконтролировать правильность определения значений твердости и табличные данные также занести в таблицу 2.

3. Провести измерение твердости инструментальной закаленной стали У8 и конструкционной низкоуглеродистой стали 30 на приборе Роквелла. Для этого:

a. В соответствии с таблицей выбрать шкалу, по которой будет проводиться измерение твердости;